[論文レビュー] The Evolution of Inclined Binary Black Holes in the Disks of Active Galactic Nuclei

Alexander J. Dittmann, Adam M. Dempsey+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、活性銀河核（AGN）円盤内における傾いた二重ブラックホールの、初めての3次元高解像度流体力学的シミュレーションを提示する。その結果、反進動（retrograde）の二重ブラックホールは、前進動（prograde）のものよりも最大4倍速く合体に向かうことが判明した。これは円盤との相互作用によるものである。シミュレーションでは、すべてのずれた二重ブラックホールが整列に向かって駆動されることを示しており、ZLK振動が高離心率を引き起こし、ペア不安定性質量ギャップ内の合体率を高めることを可能にする。

ABSTRACT

The accretion disks that fuel active galactic nuclei (AGN) may house numerous stars and compact objects, formed in situ or captured from nearby star clusters. Embedded neutron stars and black holes may form binaries and eventually merge, emitting gravitational waves detectable by LIGO/VIRGO. AGN disks are a particularly promising environment for the production of high-mass gravitational wave events involving black holes in the pair instability mass gap, and may facilitate electromagnetic counterparts to black hole binary mergers. However, many orders of magnitude separate the typical length scales of binary formation and those on which gravitational waves can drive binary inspirals, making binary mergers inside the disk uncertain. Previous hydrodynamical simulations of binaries have either been restricted to two dimensions entirely, or focused on binaries aligned with the midplane of the disk. Herein we present the first three-dimensional, high-resolution, local shearing-box hydrodynamical simulations of disk-embedded binaries over a range of orbital inclinations. We find that retrograde binaries can shrink up to four times as quickly as prograde binaries, and that all binaries not perfectly aligned (or anti-aligned) with the AGN disk are driven into alignment. An important consequence of this is that initially retrograde binaries will traverse the inclinations where von Zeipel-Lidov-Kozai oscillations can drive binary eccentricities to large values, potentially facilitating mergers. We also find that interactions with the AGN disk may excite eccentricities in retrograde binaries and cause the orbits of embedded binaries to precess.

研究の動機と目的

• AGN円盤内における任意の傾きを持つ二重ブラックホールの軌道的進化と降着ダイナミクスを調査し、従来の2次元または前進動のみのシミュレーションにとどまらない枠組みを提供すること。
• 円盤との相互作用が、円盤と垂直でない二重ブラックホールの合体速度、離心率の励起、および傾きの減衰に与える影響を特定すること。
• 特にペア不安定性質量ギャップ内の二重ブラックホールに対して、重力波駆動の合体が可能かどうかを評価すること。
• 傾いた系におけるディスク駆動の歳差と、フォン・ツァイペル＝リドウ＝コーザイ（ZLK）振動のような共鳴効果の役割を調査すること。
• ガスを豊富に含むディスク環境下でのブラックホール合体に伴う電磁的対応体の可能性を検討すること。

提案手法

• 等温状態方程式を用いたAthena++コードを用いて、3次元局所的シェーリングボックス流体力学的シミュレーションを実施した。
• 0°から180°の軌道的傾きを持つ二重ブラックホールを、高解像度でシミュレーションした。これには前進動（i_b < 90°）と反進動（i_b > 90°）の両配置を含む。
• 半長径、離心率、傾き、角運動量の時間的変化を追跡することで、二重ブラックホールの進化を時系列解析した。
• 降着レートと各ブラックホール周囲のミニディスク構造を定量的に評価し、ずれた配置に注目した。
• 引数近日点と昇交点の緯度のディスク駆動歳差を分析し、共鳴への感受性を評価した。
• さまざまな傾きにおける合体速度を比較し、反進動の二重ブラックホールが最も速く収縮する条件を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軌道的傾きは、AGN円盤内における二重ブラックホールの合体時間尺度にどのように影響するか？
• RQ2 円盤との相互作用は、垂直でない二重ブラックホールに対して、どれほどまでに傾きの減衰と整列を引き起こすか？
• RQ3 初期に円形であったが傾いた二重ブラックホールにおいて、円盤による離心率の励起が可能か。また、達成可能な最大離心率は何か？
• RQ4 ディスク駆動歳差速度は、フォン・ツァイペル＝リドウ＝コーザイ（ZLK）振動のような共鳴現象への感受性にどのように影響するか？
• RQ5 重力波放射による合体率の向上という観点から、反進動軌道と前進動軌道のどちらがより効果的か？

主な発見

• 反進動の二重ブラックホールは、円盤からの強い重力的トルクのため、前進動のものよりも最大4倍速く合体に向かう。
• AGN円盤の平面と完全に一致または反対方向でないすべての二重ブラックホールは、傾きの減衰を経て、共面的配置に向かって駆動される。
• 高傾きの二重ブラックホールに対しても、個々のブラックホール周囲のミニディスクは通常、AGN円盤の平面に整列している。
• ガスの流れには中面の噴流、緯度方向循環、および直接的な極方向降着が含まれており、反進動の二重ブラックホールでは、より顕著な衝撃波ストリッピングが観測された。
• 初期に円形であったが傾いた二重ブラックホールにおいても離心率が励起可能であるが、シミュレーションのパrameter制限のため、最大値は完全には制約されていない。
• 引数近日点および昇交点の緯度のディスク駆動歳差が観測された。これは、エベクションやZLKサイクルのような共鳴相互作用を可能にする可能性がある。